絞吸挖泥船的移船作業和轉動作業分析

郭 宇 李 璐 王舒雅

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

某絞吸式挖泥船通過尾部圍繞三纜柱的三根纜繩實現三纜定位，控制船體的移船運動；通過首部左右兩舷的各一根橫移錨，控制鉸刀頭左右擺動進行轉動作業，鉸刀頭的切削力為235 kN。在作業過程中，三纜定位是否可以安全且更大距離移動船舶，以及2根橫移錨是否可以在定位狀態下，控制船舶往左右兩舷轉動到所需角度進行工作，決定了船舶作業的效率，進而決定了船舶的經濟性能。所以，能否針對現狀設計出符合項目工程要求的錨泊定位系統至關重要。

1 作業工況

挖泥船在作業過程中，左右舷橫移錨索4號、5號控制艏部的鉸刀頭左右轉動挖泥作業，同時在三纜定位錨索1號、2號、3號的控制下，船可以向前直線前進。因此本文在計算時，將船的運動狀態分為兩個大的階段分別考慮。

一個階段是挖泥船移船作業，如圖1所示。挖泥船在三纜定位錨索1號、2號、3號的定位下，通過逐漸收短前進方向的2號和3號纜繩，從而抵抗環境條件的作用，使船向前移動，直到錨索受力超過絞車拉力時，才進行一次起拋錨。針對這一過程，需要考察挖泥船在施工環境條件下可以一次前移的最大距離。

圖1 挖泥船移動作業

另一個階段是挖泥船轉動作業，如圖2所示。挖泥船在三纜定位錨索1號、2號、3號的定位下，通過控制左右兩舷的橫移鋼絲繩4號、5號，使船舶分別往左右兩舷都可以轉動到一定角度進行作業。針對這一轉動最大狀態，需要考察挖泥船在此狀態下，保證各根錨索受力都可以滿足要求，最大轉動多少角度。

圖2 挖泥船轉動作業

針對移船作業和轉動作業這兩種工況，本文分別展開錨泊分析，設計并優化項目所需的錨泊定位系統，并給出滿足要求的作業方案。

2 錨泊定位系統性能分析

2.1 技術參數

挖泥船主尺度參數如表1所示。

表1 挖泥船的主尺度參數

同時，船舶配備的定位絞車拉力為600 kN。

該船所處航道水深約30 m，環境參數如表2所示。風、浪同向，考慮為360°，海流只考慮0°和180°。

表2 風浪流參數

在系泊軟件中進行定位分析時，波浪頻譜形式采用JONSWAP譜，形狀參數為1.0，選用1 min的定常風作為校核風力的輸入參數，選用流定常流作為校核流力的輸入參數。同時，給出環境條件方向的定義如圖3所示。

圖3 風、浪、流載荷的作用方向

2.2 錨泊系統時域耦合分析方法

挖泥船及其系泊系統的總體運動方程如下：

式中：是浮體質量矩陣；

c

是阻尼矩陣；

k

是剛度矩陣；

F

是靜態力，kN；

F

是波頻力，kN；

F

是低頻慢漂力，kN；

F

是系泊力，kN；

F

是立管力，kN。

計算過程中，將挖泥船和錨泊系統納入一個模型中整體分析，考慮相互之間耦合效應的影響，同時把風浪流的疊加作用考慮在內。本文所考慮的整個模型中沒有立管力，按照下文2.6和2.7節的相關公式計算得出風力和流力作為輸入。

考慮到二階波浪力的影響，運用近場法進行模擬，可以表示如下：

基于以上背景，本文嘗試借助SEC一致性分析范式，選取已推行的7套真題，對具體數學學科知識考題，量化分析數學學科知識題與考試大綱標準的一致性，以期完善國家教師資格考試大綱標準，科學分析已有的試題，推動國家教師資格考試的研究和進展.

2.3 設計衡準

某錨泊定位分析時，應采用動力分析法校核各種計算工況，并考慮最危險的工況。API RP 2SK和ABS設計規范都根據錨索的狀態、不同設計工況和錨索張力的計算方法對錨索的最大張力安全系數作了規定。所用錨索破斷強度與錨索所受最大張力之比就是規范定義的安全系數（參見表3）。本文計算的錨索張力安全系數應不小于表3所列規定值。

張力安全系數

F

規定為：

表3 安全系數

式中：

F

為錨泊定位系統所配錨索的最小破斷強度，kN；

F

為錨泊定位系統所配錨索的最大張力，kN。

除了滿足規范的要求，同時還受到錨絞車限制，因此正常作業還需保證錨索受力在絞車的拉力范圍內，否則絞車無法提供使船前進的力。因此，挖泥船前進方向的錨索2號、3號的拉力不得超過600 kN；兩根橫移錨索4號、5號的拉力不超過1 200 kN。

2.4 錨索的特性

某挖泥船的錨索全為鋼絲繩，其參數如下頁表4所示。

表4 鋼絲繩參數

為保證作業時有足夠的鋼絲繩余量，因此移船作業時，初始狀態下，2號、3號拋出舷外鋼絲繩長度按600 m計算，1號拋出舷外鋼絲繩長度按420 m計算，4號、5號拋出舷外鋼絲繩長度按80 m計算。

2.5 水動力性能計算

選擇HYDROD軟件的WADAM模塊計算挖泥船的頻域水動力性能。挖泥船所需考慮的遭遇浪向為0°～180°，每15°為一個間隔，波浪頻率為0.02～2.0 rad/s，每0.02 rad/s為一個間隔。根據船體型線圖建立的有限元模型如圖4所示。

圖4 挖泥船設計吃水4.8 m

2.6 風載荷計算

風載荷作為定常力，船體水線以上部分受到風力的影響，計算風力時需要考慮在內。參考API規范對相關內容的規定，選擇對首向和側向風載荷的計算的經驗公式如下：

式中：

C

為形狀系數；

C

為高度系數；

A

為風力作用的各個面的垂向投影面積之和，m；

V

為選用的設計風速，m/s。

2.7 流載荷計算

為了簡化相應研究，在盡量避免缺失精度的同時提高計算效率，在實際工程計算中，通常假設流載荷的作用是穩定的，對挖泥船的作用僅僅表現為拖曳的影響。參照API規范對相關內容的規定，某挖泥船的船型結構更符合方形船的定義，因此確定船體首向或尾向的海流力計算公式如下：

式中：

F

為尾向海流力或首向海流力，N；

S

為根據目標船的外形計算的水下部分濕表面積，其中需排除正對來流面的面積，m；

A

為船舶正對來流面的投影面積，m；

C

為摩擦阻力系數，本文取為2 Ns/m；

C

為迎流阻力系數，Ns/m；

V

為設計中輸入的流的速度，m/s。

2.8 移船作業錨泊定位分析結果

水動力分析并確定了環境力后，在SEASAMDEEPC軟件中進行錨泊定位分析，分別就移船作業和轉動作業兩種工況所要求的環境條件下，分別計算0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°共7個環境方向下的鋼絲繩受力和船體偏移。

對于流180°的情況，相對更危險的工況是風和浪120°的情況，因此計算這一工況下的受力情況為：4號鋼絲繩最大受力1 087 kN；2號鋼絲繩最大受力595 kN。

綜上所述，不論頂流還是順流，除90°的情況，完整狀態下，船前進方向的2號、3號鋼絲繩的最大張力是595 kN，絞車的拉力是600 kN，拉得動；其余鋼絲繩的安全因子大于1.67，在規范要求范圍內，同時4號、5號鋼絲繩的最大張力是1 087 kN，小于1 200 kN。因此，在風浪流0°～60°和120°～180°范圍內時，可以前移100 m，才進行一次起拋錨。

表5 移船作業狀態下錨泊分析結果匯總

表6 轉動作業狀態下錨泊分析結果匯總

綜上所述，除去90°的情況，橫移錨鋼絲繩的受力都小于1 200 kN，絞車的拉力可以拉動，且安全因子都滿足規范要求。因此除去90°的情況，船舶都可以轉動30°進行作業。

3 結 語

挖泥船的多數作業區域水深都不大，因此復雜的海況會使船具有較大的低頻漂移運動。此外，現場的限制條件也很多，定義其安全工作環境對項目的順利實施具有指導意義。不考慮90°的環境方向（流保持0°或180°、風浪0°～60°、120°～180°范圍內），在風速10.7 m/s、流速0.34 m/s、有義波高0.9 m的情況下，某挖泥船最大可以轉動30°進行作業，并滿足前移至少100 m才需進行一次起拋錨?；痉瞎こ绦枰?。